JP2016036766A - 中空糸膜モジュールの健全性診断方法、及び健全性保持方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、中空糸膜モジュールの健全性診断方法、及び健全性保持方法を提供する。
【解決手段】 中空糸膜、及び、当該中空糸膜を収容するハウジングから構成される膜エレメントを複数有する中空糸膜モジュールの健全性を診断する方法であって、中空糸膜の二次側に加圧気体を導入して設定圧力まで到達した後、加圧気体の導入を停止して中空糸膜の二次側を密閉し、密閉後の圧力降下速度を膜エレメント毎に計測し、中空糸膜モジュール内の膜エレメントの圧力降下速度の積算値から中空糸膜モジュールの健全性を診断する、中空糸膜モジュールの健全性診断方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、河川水や湖沼水等の表流水及び地下水等を、精密ろ過膜、又は限外ろ過膜で処理する膜ろ過法において、使用中に発生する膜エレメントの破断の程度から健全性を診断し、更に健全性の悪化が認められた際には、中空糸膜モジュールの運用方法を変更して健全性を保持する方法に関する。

浄水処理における膜ろ過技術は、従来の急速ろ過法の代替技術と比較して、（１）処理装置がコンパクト化し、浄水場の全体面積が小さくなる、（２）自動化された運転が可能であり、維持管理が容易である、（３）処理水質が向上する、といった利点がある。

膜ろ過法を用いた膜ろ過装置においては、膜閉塞の問題を解消するため、エアスクラビングを用いた洗浄、ろ過と逆方向に通液することによる洗浄、次亜塩素酸等の薬品を用いた洗浄等が定期的に実施される。しかしながら、長期間に渡って、これらの洗浄が繰り返されることにより、分離膜の耐久性が、物理的及び／又は化学的に劣化することが懸念されている。

ここで、分離膜が破断すると、その部分から被処理水中の微粒子（クリプトスポリジウム等）が処理水中に混入する可能性がある。このため、膜ろ過法においては、膜破断の程度を適切に診断し、分離膜の分離性能が非健全な場合は、早急に対処することが重要となる。現在、膜破断を検知する方法としては、例えば、圧力降下試験が普及している。

圧力降下試験は、分離膜の一次側又は二次側の何れか一方を加圧することにより実施される。加圧側は空気等の気体を満たし、且つ、加圧側と常圧側の圧力差が分離膜のバブルポイント以下の状態で密閉することで、膜破断部からのみ気体が漏洩し、加圧側の圧力値が降下する。この時、の圧力降下速度の大小から膜破断の程度を診断する試験である。

大型の処理設備において分離膜（例えば、中空糸膜）を運用する場合には、一般に、中空糸膜と、当該中空糸膜を収容・固定するハウジングから構成される膜エレメントを複数有する中空糸膜モジュール（以下、膜モジュールとも言う）を構成して使用される。当該構成の場合、分離膜が高充填化でき、且つ、膜エレメント間に適切な間隔を空けて構成することができ、処理装置のコンパクト化と効果的なエアスクラビングによる洗浄効果を得ることができる。

膜エレメントを複数有する中空糸膜モジュールについて、健全性を維持する早急な対処をとるためには、膜エレメント毎に圧力降下試験を実施し、何れの膜エレメントが非健全であるかを把握するとともに、中空糸膜モジュールとしての健全性に及ぼす影響を把握する必要がある。例えば、１つの膜エレメントに軽微な膜破断があり、膜エレメントとしては非健全性であったとしても、同一中空糸膜モジュール内の他の膜エレメントが健全であれば、中空糸膜モジュールとしては一定水準の除去率は保持できる。また、膜エレメントの破断によって、中空糸膜モジュールが非健全となる場合は、破断が生じた膜エレメントを交換／補修することで、中空糸膜モジュールの健全性を維持することができる。

特許文献１は中空糸膜モジュールの圧力降下試験方法の一例であり、圧力降下試験の結果から膜の破損状態を簡便且つ正確で応用性の高い診断が可能になるとされている。

しかしながら、特許文献１では、膜の健全性の診断するのみにとどまっており、診断した際に非健全であった場合にどう対処すべきかについては記載されていない。

特許文献２の膜モジュールでは、垂直方向で同じ位置にある膜エレメントを同じヘッダー管に接続し、ヘッダー管毎にバルブを接続することで、破断した膜エレメントの垂直方向での位置が特定され、気泡が視認される位置からは水平方向での位置を特定される。

しかしながら、気泡が視認される位置は、必ずしも破断箇所の真上にくるとは限らず、中空糸膜間に絡みついたし渣や、中空糸膜同士の絡みつきにより気泡の上昇が遮られることで、欠陥点の真上以外の位置から視認されることもある。こういった場合には特許文献２の膜モジュールでは、破断した膜エレメントの水平方向の位置の特定は困難である。

特開２００６−２８９３０９号公報 特表２００３−５１３７８４号公報

従来、中空糸膜及び当該中空糸膜を収容・固定するハウジングから構成される膜エレメントを複数有する中空糸膜モジュールの健全性を診断するにあたり、非健全性な膜エレメントを早急に特定するとともに、中空糸膜モジュールとしての健全性が保持されるよう、適切な対処をとることが課題であった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、膜モジュールの圧力降下試験において非健全な膜エレメントを特定するとともに、膜モジュールとしての健全性に与える影響を評価することで、膜モジュールの健全性の保持を早急かつ適切に実施することが可能となるという効果を奏する、中空糸膜モジュールの健全性診断方法及び健全性保持方法を提供ものである。

本発明は、下記態様を有する。
［１］ 中空糸膜、及び、当該中空糸膜を収容するハウジングから構成される膜エレメントを複数有する中空糸膜モジュールの健全性を診断する方法であって、
中空糸膜の二次側に加圧気体を導入して設定圧力まで到達した後、加圧気体の導入を停止して中空糸膜の二次側を密閉し、密閉後の圧力降下速度を膜エレメント毎に計測し、中空糸膜モジュール内の膜エレメントの圧力降下速度の積算値から中空糸膜モジュールの健全性を診断する、中空糸膜モジュールの健全性診断方法。
［２］ 膜エレメントの圧力降下速度の積算値が下記式（１）を満たすことにより中空糸膜モジュールの健全性を診断する、［１］の健全性診断方法。
［３］ ［１］又は［２］記載の中空糸膜モジュールの健全性診断方法において、欠陥を有すると診断された中空糸膜モジュールについて、膜エレメントの圧力降下速度の積算値が下記式（１）を満たすよう非健全な膜エレメントからのろ過を中止して中空糸膜モジュールのろ過運転を実施する、中空糸膜モジュールの健全性保持方法。
［４］ ［１］又は［２］記載の中空糸膜モジュールの健全性診断方法において、欠陥を有すると診断された中空糸膜モジュールについて、膜エレメントの圧力降下速度の積算値が下記式（１）を満たすよう膜エレメントを補修又は交換する、中空糸膜モジュールの健全性保持方法。

ΣＰＤＲｅｌ：膜エレメントの圧力降下速度の積算値
ＬＲＶ：中空糸膜モジュールの対数除去率
Ｑｕ，ｆｉｌｔ：中空糸膜モジュールのろ過流量
μｗ：中空糸膜の一次側の水の粘性係数
Ｐｐ：加圧気体密閉前の設定圧力
Ｐａｔｍ：雰囲気圧力
Ｖｅｌ，ｓｙｓｔｅｍ：中空糸膜エレメント1つあたりの加圧気体密閉容積
μａ：加圧気体の粘性係数
ＴＭＰ：中空糸膜モジュールのろ過差圧

本発明によれば、膜エレメント毎の健全性を個別に診断し、問題のある膜エレメントを特定するとともに、健全性に問題のある膜エレメントが中空糸膜モジュールとしての健全性に与える影響を評価することによって、中空糸膜モジュールの健全性の保持を早急、且つ、適切に実施することが可能となる。

本発明を実施するための実施形態の一例を示す概略図である。 本発明を実施するための実施形態の一例を示す概略図である。 本発明を実施した膜エレメントの概略図である。 本発明を実施した膜モジュールの概略図である。

以下、図面を参照して、本発明の好ましい実施形態について説明するが、これらの実施形態に限定して解釈されるものではない。
図１は、膜エレメント２ａを水平方向に４個配した中空糸膜モジュール１ａを用いた実施形態であり、図２は膜エレメント２ｂを鉛直方向に４個配した中空糸膜モジュール１ｂを用いた実施形態である。

それぞれの膜エレメントには、バルブ３ａ、３ｂ、３ｃ及び３ｄが直結され、ろ過ポンプ６まで接続されている。中空糸膜モジュールからろ過ポンプ６までの配管内には、圧力を計測する圧力計４、配管内を加圧するためのコンプレッサー５が接続される。

中空糸膜モジュール１ａ、１ｂは、膜槽１２内に配置し、被処理水１１を満たした状態で、ろ過ポンプ６を運転することで処理水を得て、処理水は逆洗水槽１５に洗浄水として貯留し、余剰分はオーバーフローする。一定時間の後、ろ過を停止し、逆洗ポンプ７を運転して逆方向に通水しながら、間欠又は連続的にブロワー９を運転することで、中空糸膜モジュール下部に配した散気装置１０から空気を噴出することで中空糸膜（膜エレメント）を洗浄する。一定時間の洗浄の後には、中空糸膜モジュールのろ過を再開する。

ろ過や洗浄を長期に渡って繰り返していくと、中空糸膜同士の衝突や、被処理水１１中の異物が膜表面と擦過することで、膜表面が破損し、中空糸膜の分離性能が低下する可能性がある。

中空糸膜の分離性能が保持されているか検査するために、定期的に圧力降下試験が実施される。ろ過及び洗浄を停止した状態で、コンプレッサー５に接続されたバルブ８ａを開け、バルブｂ及びバルブｃを閉じることで、中空糸膜モジュール１の中空糸膜の二次側が加圧される。

ある一定の圧力値まで加圧した状態で、コンプレッサー５に接続するバルブ８ａも閉じることで、中空糸膜の二次側が加圧された状態で密閉される。中空糸膜に破損がある場合は中空糸膜の二次側の加圧空気が破損個所から漏れ出すことで、圧力が減少していく。この圧力降下速度を計測することにより、中空糸膜モジュール１の中空糸膜の分離性能が評価できる。

圧力降下試験の際には、膜槽１２の被処理水１１は無くても良い。被処理水１１が無い場合は水圧の影響による破損検知精度の低下を無くせる一方で、被処理水１１がある場合は水平方向での破損個所の位置が水槽上部から視認可能となる。被処理水１１を必要としない場合は、膜槽１２から中空糸膜モジュール１を引き上げた状態で圧力降下試験を実施しても良い。

圧力降下試験の際、検査対象の膜エレメント２に直結されたバルブを開け、検査非対称の膜エレメントに直結されたバルブを閉じることで、膜エレメントを個別に圧力降下試験が実施できる。検査対象の膜エレメント２を入れ替えることで、全ての膜エレメントを個別に検査することが可能になる。

分離性能が低下した膜エレメント２は、交換及び／又は補修することで、中空糸膜モジュール１の健全性は保持される。この際、すぐに交換及び／又は補修することが困難であれば、分離性能が低下した膜エレメントに直結されるバルブは閉じた状態でろ過することで、健全な膜エレメントのみ使用した状態で処理水を得ることも可能である。

以下に本発明の実施例を示す。なお、本発明は以下実施例に限定されるものではない。
（実施例１）
図３は、中空糸膜、及び当該中空糸膜の両端を接着固定するハウジングから構成される膜エレメントである。図４は、図３の膜エレメントを水平方向に２個、垂直方向に１０個配置した中空糸膜モジュールである。図４の中空糸膜モジュールについて、中空糸膜の二次側に加圧気体を導入して５０ｋＰａまで到達した後、加圧気体の導入を停止して中空糸膜の二次側を密閉し、密閉後の圧力降下速度を膜エレメント毎に計測した。
この時の、計測結果を表１に示す。尚、表１での膜エレメントＡ〜Ｔの位置関係は、図４の通りである。
膜エレメントの圧力降下速度の積算値は、予め導いておいた管理基準値９７ｋＰａ／ｍｉｎを超過し、中空糸膜モジュールが非健全であることが判明したが、膜エレメント毎に圧力降下速度を測定したことから、非健全なエレメントも同時に判別することができた。

（実施例２）
実施例１で膜エレメント毎に圧力降下速度を測定した中空糸膜モジュールについて、表１の交換・補修対象Ａに示したように、圧力降下速度が大きい順に、膜エレメントＡ，Ｋ、Ｌ及びＲを交換及び／又は補修すれば、圧力降下速度の積算値の管理基準９７ｋＰａ／ｍｉｎ以下を達成できた。それぞれの膜エレメントの位置が離れているため、し渣が複数の膜エレメントに亘って絡みついていたり、隣接する膜エレメントの中空糸膜同士が複雑に絡みついていたりすることで取り外し作業に時間がかかる場合は、表１の交換・補修対象Ｂに示したように、近接する膜エレメントＡ、Ｃ、Ｋ、Ｌ及びＭを交換・補修対象とした場合、圧力降下速度の積算値の管理基準９７ｋＰａ／ｍｉｎ以下を達成した上で、取り外し作業を省力化できた。

（表１）

一方、従来の方法では、膜モジュールの圧力降下試験のみを実施すると、非健全な膜エレメントが不明であるため、全膜エレメントを中空糸膜モジュールから取り出した上で、個別にリーク検査を実施するなど、別の手段によって非健全な膜エレメントを特定しなければならなかった。
更に膜エレメント毎の圧力降下速度の積算値で膜モジュールの健全性を管理しない場合は、非健全な膜エレメントを交換及び／又は補修することで、膜モジュールの健全性がどの程度まで改善するか把握できないため、全ての膜エレメントを交換及び／又は補修しなければならず、早急な対応は困難であった。

１：中空糸 膜モジュール
２：膜エレメント
３：膜エレメント前バルブ
４：圧力計
５：コンプレッサー
６：ろ過ポンプ
７：逆洗ポンプ
８：バルブ
９：ブロワー
１０：散気装置
１１：被処理水
１２：膜槽
１３：被処理水供給口
１４：排水手段
１５：逆洗水槽
１６：処理水
１７：処理水流出口

Claims (4)

1. 中空糸膜、及び、当該中空糸膜を収容するハウジングから構成される膜エレメントを複数有する中空糸膜モジュールの健全性を診断する方法であって、
   中空糸膜の二次側に加圧気体を導入して設定圧力まで到達した後、加圧気体の導入を停止して中空糸膜の二次側を密閉し、密閉後の圧力降下速度を膜エレメント毎に計測し、中空糸膜モジュール内の膜エレメントの圧力降下速度の積算値から中空糸膜モジュールの健全性を診断する、中空糸膜モジュールの健全性診断方法。
2. 膜エレメントの圧力降下速度の積算値が下記式（１）を満たすことにより中空糸膜モジュールの健全性を診断する、請求項１記載の健全性診断方法。
   

   

   
   ΣＰＤＲｅｌ：膜エレメントの圧力降下速度の積算値
   ＬＲＶ：中空糸膜モジュールの対数除去率
   Ｑｕ，ｆｉｌｔ：中空糸膜モジュールのろ過流量
   μｗ：中空糸膜の一次側の水の粘性係数
   Ｐｐ：加圧気体密閉前の設定圧力
   Ｐａｔｍ：雰囲気圧力
   Ｖｅｌ，ｓｙｓｔｅｍ：中空糸膜エレメント1つあたりの加圧気体密閉容積
   μａ：加圧気体の粘性係数
   ＴＭＰ：中空糸膜モジュールのろ過差圧
3. 請求項１又は２記載の中空糸膜モジュールの健全性診断方法において、欠陥を有すると診断された中空糸膜モジュールについて、膜エレメントの圧力降下速度の積算値が前記式（１）を満たすよう、非健全な膜エレメントからのろ過を中止して中空糸膜モジュールのろ過運転を実施する、中空糸膜モジュールの健全性保持方法。
4. 請求項１又は２記載の中空糸膜モジュールの健全性診断方法において、欠陥を有すると診断された中空糸膜モジュールについて、膜エレメントの圧力降下速度の積算値が前記式（１）を満たすよう、膜エレメントを補修又は交換する、中空糸膜モジュールの健全性保持方法。

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